KR101332165B1 - 차량용 공조시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 공조시스템에 관한 것이다.
본 발명은, 차실로 유입되는 공기를 가열하는 엔진냉각수의 이동로를 난방모드 시 제공하는 냉각수 순환라인(W); 및 상기 엔진냉각수를 가열함과 동시에 상기 차실로 유입되는 공기로부터 습기를 제거하는 냉매의 이동로를 상기 난방모드 시 제공하는 냉매 순환라인(R);을 포함하는 차량용 공조시스템을 제공한다. 상기 냉매 순환라인(R)에는 압축기(110), 상기 엔진냉각수와 상기 냉매 간 열교환을 위한 열교환기(112), 팽창밸브(114) 및 상기 차실로 유입되는 공기와 상기 냉매 간 열교환을 위한 제1실내열교환기(116)가 설치되고, 상기 냉각수 순환라인(W)에는 차량의 엔진(132), 펌프(134), 상기 열교환기(112) 및 상기 차실로 유입되는 공기와 상기 엔진냉각수 간 열교환을 위한 제2실내열교환기(136)가 설치된다.

Description

차량용 공조시스템{AIR CONDITIONING SYSTEM OF VEHICLE}
본 발명은 차량용 공조시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기자동차에 주로 탑재되는 소위 히트펌프식 차량용 공조시스템에 관한 것이다.
일반적으로 차량에는 공조시스템이 설치된다. 그리고 상기 공조시스템은 차실(차량 실내)의 난방을 위한 난방시스템, 차실의 냉방을 위한 냉방시스템, 차실로 유입되는 공기의 온도/세기/방향을 조절하는 공조장치(HVAC : Heating, Ventilation and Air Conditioning) 등을 포함한다.
화석에너지로 구동하는 차량에서는 차실 난방을 위한 열원으로 엔진 냉각수가 직접 사용된다. 즉, 엔진으로부터 열을 빼앗은 냉각수는 공조장치(HVAC) 내의 히터코어를 경유한 후 다시 엔진으로 유입되고, 이 과정에서 냉각수는 히터코어를 통과하는 공기에 열을 전달한다. 그리고 히터코어를 경유한 공기는 차실로 유입되어 차실을 난방한다.
한편, 최근 공해문제의 심각화, 화석 연료의 고갈 등의 문제가 제기되면서 전기에너지로 구동하는 차량이 등장하고 있다. 이러한 전기자동차는 구동 에너지를 기존의 차량과 같이 화석 연료의 연소로부터가 아닌 전기에너지로부터 얻는 차량이다. 전기자동차는 공해문제를 발생시키지 않고 주행 시 소음을 거의 발생시키지 않으며 화석 연료의 고갈을 초래하지 않는바, 자동차 메이커들은 전기자동차의 생산 및 판매를 점차 증가시키고 있다.
전기자동차에는 일본공개특허공보 제2000-62453호에 개시된 바와 같은 소위 히트펌프식 공조시스템이 주로 사용되고 있는데, 이는 차실의 난방이 용이하고 실용적으로 이루어질 수 있기 때문이다.
상기 일본공개실용신안공보에 개시된 히트펌프식 공조시스템(10)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 난방용 냉매회로 및 난방용 냉각수회로를 포함한다.
난방용 냉매회로는 난방용 냉각수회로를 순환하는 엔진냉각수의 온도가 충분히 상승하지 않은 주행 초기에 차실로 유입되는 공기에 열을 전달하는 히트펌프로서, 압축기(11)와, 제1유량조정밸브(13)(개방상태)와, 실내열교환기(14)와, 제2유량조정밸브(15)(교축상태)와, 서브 열교환기(17)를 포함한다.
압축기(11)로부터 토출된 고온의 냉매는 제1유량조정밸브(13)를 경유하여 실내열교환기(14)로 유입되고, 실내열교환기(14)에서 차실로 유입되는 공기에 열을 전달한다. 실내열교환기(14)를 경유한 냉매는 팽창밸브로 작용하는 교축상태의 제2유랭조정밸브(15)를 거쳐 증발기로 작용하는 서브 열교환기(17)로 유입되고, 서브 열교환기(17)에서 엔진냉각수로부터 열을 빼앗는다. 서브 열교환기(17)를 경유한 냉매는 압축기(11)로 다시 유입된다.
난방용 냉각수회로는 상기 난방용 냉매회로를 순환하는 냉매에 열을 전달하는 히트펌프로서, 엔진과, 가열수단(H)과, 상기 서브 열교환기(17)를 포함한다. 엔진으로부터 토출된 냉각수는 가열수단(H)으로부터 열을 전달받아 서브 열교환기(17)로 유입되고, 서브 열교환기(17)에서 냉매에 열을 전달한다. 서브 열교환기(17)를 경유한 냉각수는 엔진으로 다시 유입된다.
상기 히트펌프식 공조시스템(10)에 의하면, 냉각수가 가열수단(H)으로부터 열을 전달받은 후 서브 열교환기(17)로 유입되기 때문에 냉매가 서브 열교환기(17)에서 비교적 많은 열을 전달받은 후 압축기(11)로 다시 유입된다. 이와 같은 경우 압축기(11)로부터 토출된 냉매의 온도가 높아지게 되는바 실내열교환기(14)를 거친 공기의 온도 또한 높아지게 된다. 따라서 상기 히트펌프식 공조시스템(10)은 주행 초기여서 엔진냉각수의 온도가 충분히 상승하지 못하였더라도 양호한 난방성능을 갖게 된다.
그러나, 상기 히트펌프식 공조시스템(10)은 주행 초기에 제습난방을 수행하지 못한다. 따라서 상기 히트펌프식 공조시스템(10)에 의하면 차량의 유리에 포깅(fogging)(차량의 유리에 습기가 차는 현상)이 발생하게 된다. 겨울철에는 차실의 공기가 탑승자의 입김 등으로 인해 차량의 외부 공기에 비해 습하기 때문에 주행 초기에 포깅이 빈번히 발생한다. 따라서 이에 대한 개선책이 요구된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 낮은 외기온 하에서 차량의 주행 초기에 양호한 난방성능을 확보함과 동시에 차량의 유리에 포깅(fogging)이 발생하는 현상을 방지할 수 있는 차량용 공조시스템을 제공하는 것을 목적으로 삼고 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 차실로 유입되는 공기를 가열하는 엔진냉각수의 이동로를 난방모드 시 제공하는 냉각수 순환라인(W); 및 상기 엔진냉각수를 가열함과 동시에 상기 차실로 유입되는 공기로부터 습기를 제거하는 냉매의 이동로를 상기 난방모드 시 제공하는 냉매 순환라인(R);을 포함하는 차량용 공조시스템을 제공한다. 상기 냉매 순환라인(R)에는 압축기(110), 상기 엔진냉각수와 상기 냉매 간 열교환을 위한 열교환기(112), 팽창밸브(114) 및 상기 차실로 유입되는 공기와 상기 냉매 간 열교환을 위한 제1실내열교환기(116)가 설치되고, 상기 냉각수 순환라인(W)에는 차량의 엔진(132), 펌프(134), 상기 열교환기(112) 및 상기 차실로 유입되는 공기와 상기 엔진냉각수 간 열교환을 위한 제2실내열교환기(136)가 설치된다.
차량용 공조시스템은 전기히터(170)를 더 포함한다. 상기 전기히터(170)는 상기 차실로 유입되는 공기의 이동로 상에 구비되어 상기 난방모드 시 상기 제1실내열교환기(116)를 경유하는 냉매에 열을 전달한다.
상기 전기히터(170)의 기능은 제2실내열교환기(136)를 경유한 엔진냉각수에 의해서도 수행될 수 있다. 이와 같은 경우, 상기 제2실내열교환기(136)를 경유한 엔진냉각수는 상기 제1실내열교환기(116)를 거치면서 냉매에 열을 전달한 후 상기 엔진(132)으로 유입된다. 이때 상기 제1실내열교환기(116)는 상기 차실로 유입되는 공기와 상기 냉매와 상기 엔진냉각수 간 열교환을 가능케 하는 3중 열교환기로 이루어진다.
또한 상기 차량용 공조시스템은, 상기 압축기(110)로부터 토출된 냉매를 냉방모드 시 응축기로 작용하는 실외열교환기(152) 또는 상기 열교환기(112)로 안내하는 제1삼방밸브(162); 및 상기 실외열교환기(152)를 경유한 냉매 또는 상기 열교환기(112)를 경유한 냉매를 상기 팽창밸브(114)로 안내하는 제2삼방밸브(164);를 더 포함한다.
난방모드 시, 상기 제1삼방밸브(162)는 압축기(110)로부터 토출된 냉매를 상기 열교환기(112)로만 안내하고 상기 제2삼방밸브(164)는 상기 열교환기(112)를 경유한 냉매를 상기 팽창밸브(114)로 안내한다.
반면 냉방모드 시, 상기 제1삼방밸브(162)는 압축기(110)로부터 토출된 냉매를 상기 실외열교환기(152)로만 안내하고 상기 제2삼방밸브(164)는 상기 실외열교환기(152)를 경유한 냉매를 상기 팽창밸브(114)로 안내한다.
본 발명에 따른 차량용 공조시스템은 겨울철 차량의 주행 단계가 초기인지 여부와 무관하게 높은 난방성능을 확보하면서 포깅(fogging)을 방지할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 차량용 공조시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 차량용 공조시스템을 도시한 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 차량용 공조시스템의 변형예를 도시한 블록도이다.
도 4는 난방모드 시 도 2에 도시된 차량용 공조시스템의 작동 과정을 도시한 블록도이다.
도 5는 난방모드 시 도 3에 도시된 차량용 공조시스템의 작동 과정을 도시한 블록도이다.
도 6은 냉방모드 시 도 2에 도시된 차량용 공조시스템의 작동 과정을 도시한 블록도이다.
도 7은 냉방모드 시 도 3에 도시된 차량용 공조시스템의 작동 과정을 도시한 블록도이다.
이하, 본 발명에 따른 차량용 공조시스템의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야할 것이다.
본 발명에 따른 차량용 공조시스템(100)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각수 순환라인(W) 및 냉매 순환라인(R)을 포함한다.
상기 냉각수 순환라인(W)은 난방모드 시 엔진냉각수의 이동로로 제공되고, 상기 냉각수 순환라인(W) 상에는 차량의 엔진(132)과, 펌프(134)와, 열교환기(112)와, 제2실내열교환기(136)가 설치된다. 상기 펌프(134)는 엔진냉각수를 순환시키고, 전기자동차의 경우 상기 엔진(152)은 주행모터이다. 열교환기(112)는 냉매 순환라인(R)을 순환하는 냉매와 상기 엔진냉각수 간 열교환을 위해 구비된 것이다. 제2실내열교환기(136)는 엔진냉각수와 차실로 유입되는 공기 간 열교환을 위한 것으로서 상기 공기의 이동로 상에 위치한다. 본 실시예에서는 공조장치(HVAC : Heating, Ventilation and Air Conditioning)(190)가 차실로 유입될 공기의 이동로를 제공하는바, 상기 제2실내열교환기(136)는 공조장치(190)에 내장된다. 한편, 상기 냉각수 순환라인(W)에는 라디에이터(138)와 제3삼방밸브(166)가 더 설치된다. 라디에이터(138)는 차량으로 유입되는 외기와 엔진냉각수 간 열교환을 위해 구비되고, 제3삼방밸브(166)는 펌프(134)로부터 토출된 엔진냉각수를 열교환기(166)로 안내하거나 라디에이터(138)로 안내한다.
상기 냉매 순환라인(R)은 냉방모드 또는 상기 난방모드 시 냉매의 이동로로 제공되고, 상기 냉매 순환라인(R) 상에는 압축기(110)와, 상기 열교환기(112)와, 팽창밸브(114)와, 상기 공조장치(190) 내에 위치하는 제1실내열교환기(116)가 설치된다. 압축기(110)는 고온고압의 냉매 가스를 토출하고, 팽창밸브(114)는 열교환기(112)를 경유한 냉매를 팽창시킨다. 제1실내열교환기(116)에서는 냉매가 차실로 유입되는 공기로부터 열을 빼앗아 증발한다. 그리고 차실로 유입되는 공기에 포함되어 있던 수분은 냉매의 증발 시 제1실내열교환기(116)의 표면에 응결하고, 이로써 차실로 유입되는 공기로부터 습기가 제거된다. 한편 냉매 순환라인(R) 상에는 어큐뮬레이터(118)가 설치된다. 상기 어큐뮬레이터(118) 압축기(110)와 제1실내열교환기(116) 사이에 위치한다.
또한, 냉매 순환라인(R) 상에는 압축기(110)로부터 토출된 냉매를 냉방모드 시 응축기로 사용되는 실외열교환기(152)로 안내하거나 상기 열교환기(112)로 안내하는 제1삼방밸브(162)가 설치되고, 상기 실외열교환기(152)를 경유한 냉매 또는 상기 열교환기(164)를 경유한 냉매를 팽창밸브(114)로 안내하는 제2삼방밸브(164)가 설치된다. 이와 같은 경우, 팽창밸브(114)가 난방모드 및 냉방모드 시에 모두 사용될 수 있는 이점이 있다.
한편 냉매가 열교환기(112)에서 엔진냉각수로 전달하는 열의 양이 많을수록 난방성능은 높아진다. 그리고, 냉매가 열교환기(112)에서 엔진냉각수로 전달하는 열의 양은 압축기(110)로 유입되는 냉매의 온도가 높을수록 많아지는 것이 일반적이다. 따라서 난방성능의 향상을 위해서는 압축기(110)로 유입되는 냉매의 온도를 높일 필요가 있다. 이에 상기 차량용 공조시스템(100)은 제1실내열교환기(116)를 경유하는 냉매에 열을 전달하는 전기히터(170)를 포함한다. 상기 전기히터(170)는 도 2에 도시된 바와 같이 증발기(116)와 이웃하여 위치하도록 공조장치(190)에 내장된다.
상기 전기히터(170)의 기능은 제2실내열교환기(136)를 경유한 엔진냉각수에 의해 수행될 수도 있다. 이와 같은 경우, 전기히터(170)는 구비되지 않고 제1실내열교환기(116)는 공기와 냉매와 엔진냉각수 간 열교환을 가능케 하는 3중 열교환기로 구비된다. 그리고, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2실내열교환기(136)의 출구부는 제1실내열교환기(116)에 구비된 엔진냉각수 유로의 입구부와 연결되고, 상기 엔진냉각수 유로의 출구부는 엔진(132)의 입구부와 연결된다.
이하, 상술한 차량용 공조시스템(100)의 작동 과정을 도 4 내지 도 7을 참조하여 설명한다.
< 난방모드 시 >
난방모드 시 제1삼방밸브(162) 내지 제3삼방밸브(166)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 열교환기(112) 방향으로만 개방된다(경우에 따라 제3삼방밸브(166)는 열교환기(112) 방향 및 라디에이터(138) 방향으로 동시에 개방될 수도 있음).
따라서 전기히터(170)가 설치되었는지와 무관하게 압축기(110)로부터 토출된 냉매는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 냉매 순환라인(R)을 따라 순환하면서 열교환기(112), 팽창밸브(114) 및 제1실내열교환기(116)를 순차적으로 거친 후 압축기(110)로 다시 유입된다. 이때 냉매는 열교환기(112)를 거치면서 엔진냉각수에 열을 전달한다. 또한 냉매는 제1실내열교환기(116)를 경유하는 동안 차실로 유입되는 공기로부터 열을 흡수하여 증발하고, 이때 상기 차실로 유입되는 공기로부터 습기가 제거된다. 또한 냉매는 제1실내열교환기(116)를 경유하는 동안 전기히터(170)로부터 열을 전달받거나(도 4 참고), 제2실내열교환기(136)로부터 유입된 엔진냉각수로부터 열을 전달받는다(도 5 참고).
난방모드 시 엔진냉각수의 순환 경로는 전기히터(170)가 설치되었는지 여부에 따라 상이하게 형성된다.
전기히터(170)가 설치되었다면 펌프(134)로부터 토출된 엔진냉각수는 도 4에 도시된 바와 같이 냉각수 순환라인(W)을 따라 순환하면서 열교환기(112), 제2실내열교환기(136) 및 엔진(132)을 거친 후 펌프(134)로 다시 유입된다. 그리고 전기히터(170)는 제1실내열교환기(116)를 경유하는 냉매를 가열한다. 엔진냉각수는 열교환기(112)에서 냉매로부터 열을 전달받고, 제2실내열교환기(136)에서 공조장치(190)를 통과하는 공기에 열을 전달한다. 제2실내열교환기(136)를 통과한 공기는 차실로 유입되어 차실을 난방한다.
한편, 전기히터(170)가 설치되지 않았다면 펌프(134)로부터 토출된 엔진냉각수는 도 5에 도시된 바와 같이 냉각수 순환라인(W)을 따라 순환하면서 열교환기(112), 제2실내열교환기(136), 제1실내열교환기(116) 및 엔진(132)을 거친 후 펌프(134)로 다시 유입된다. 이때 엔진냉각수는 열교환기(112)에서 냉매로부터 열을 전달받고, 제2실내열교환기(136)에서 공조장치(190)를 통과하는 공기에 열을 전달하며, 제1실내열교환기(116)에서 냉매에 열을 전달한다. 제2실내열교환기(136)를 통과한 공기는 차실로 유입되어 차실을 난방한다.
< 냉방모드 시 >
냉방모드 시에는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 제1삼방밸브(162) 및 제2삼방밸브(164)는 실외열교환기(152) 방향으로만 개방되고, 제3삼방밸브(166)는 라디에이터(138) 방향으로만 개방되며, 공조장치(190) 내 템프 도어(194)는 제2실내열교환기(194)로의 공기 유입을 차단하도록 조절된다.
따라서 전기히터(170)가 설치되었는지와 무관하게 압축기(110)로부터 토출된 냉매는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 냉매 순환라인(R)을 따라 순환하면서 실외열교환기(152), 팽창밸브(114) 및 증발기(116)를 순차적으로 거친 후 압축기(110)로 다시 유입된다. 이때 냉매는 실외열교환기(152)에서 차량으로 유입되는 외기에 열을 빼앗겨 응축되고, 제1실내열교환기(116)에서 공조장치(190)를 통과하는 공기로부터 열을 흡수하여 증발한다. 제1실내열교환기(116)를 거친 공기는 차실로 유입되어 차실을 냉방한다.
또한 전기히터(170)가 설치되었는지와 무관하게 펌프(134)로부터 토출된 엔진냉각수는 라디에이터(138) 및 엔진(132)을 순차적으로 거친 후 펌프(134)로 다시 유입된다. 상기 엔진냉각수는 엔진(132)에서 엔진(132)의 열을 흡수하고, 라디에이터(138)에서 차량으로 유입되는 외기에 열을 빼앗긴다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.
100 : 차량용 공조시스템 110 : 압축기
112 : 열교환기 114 : 팽창밸브
116 : 제1실내열교환기 118 : 어큐뮬레이터
132 : 엔진 134 : 펌프
136 : 제2실내열교환기 138 : 라디에이터
152 : 실외열교환기 162 : 제1삼방밸브
164 : 제2삼방밸브 166 : 제3삼방밸브
170 : 전기히터 190 : 공조장치
194 : 템프 도어

Claims (7)

  1. 차실로 유입되는 공기를 가열하는 엔진냉각수의 이동로를 난방모드 시 제공하는 냉각수 순환라인(W); 및
    상기 엔진냉각수를 가열함과 동시에 상기 차실로 유입되는 공기로부터 습기를 제거하는 냉매의 이동로를 상기 난방모드 시 제공하는 냉매 순환라인(R);을 포함하되,
    상기 냉매 순환라인(R)에는 압축기(110), 상기 엔진냉각수와 상기 냉매 간 열교환을 위한 열교환기(112), 팽창밸브(114) 및 상기 차실로 유입되는 공기와 상기 냉매 간 열교환을 위한 제1실내열교환기(116)가 설치되고,
    상기 냉각수 순환라인(W)에는 차량의 엔진(132), 펌프(134), 상기 열교환기(112) 및 상기 차실로 유입되는 공기와 상기 엔진냉각수 간 열교환을 위한 제2실내열교환기(136)가 설치되며,
    상기 난방모드 시 상기 제2실내열교환기(136)를 경유한 엔진냉각수는 상기 제1실내열교환기(116)를 거치면서 냉매에 열을 전달한 후 상기 엔진(132)으로 유입되는 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1실내열교환기(116)는 상기 차실로 유입되는 공기와 상기 냉매와 상기 엔진냉각수 간 열교환을 가능케 하는 3중 열교환기인 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  5. 제1항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기(110)로부터 토출된 냉매를 냉방모드 시 응축기로 작용하는 실외열교환기(152) 또는 상기 열교환기(112)로 안내하는 제1삼방밸브(162); 및
    상기 실외열교환기(152)를 경유한 냉매 또는 상기 열교환기(112)를 경유한 냉매를 상기 팽창밸브(114)로 안내하는 제2삼방밸브(164);를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 난방모드 시, 상기 제1삼방밸브(162)는 압축기(110)로부터 토출된 냉매를 상기 열교환기(112)로만 안내하고 상기 제2삼방밸브(164)는 상기 열교환기(112)를 경유한 냉매를 상기 팽창밸브(114)로 안내하는 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 냉방모드 시, 상기 제1삼방밸브(162)는 압축기(110)로부터 토출된 냉매를 상기 실외열교환기(152)로만 안내하고 상기 제2삼방밸브(164)는 상기 실외열교환기(152)를 경유한 냉매를 상기 팽창밸브(114)로 안내하는 것을 특징으로 하는 차량용 공조시스템.
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